三維建模稱為3D建模，就是借助三維制作軟件，通過(guò)虛擬的三維空間構(gòu)建具有三維數(shù)據(jù)的模型。它并不是一個(gè)陌生的術(shù)語(yǔ)，隨著各個(gè)行業(yè)的發(fā)展需要，三維建模技術(shù)在零部件的設(shè)計(jì)與制造中得到了廣泛的應(yīng)用。從線框造型→曲面造型→實(shí)體造型→特征造型，三維建模給人一種更直觀的視覺(jué)效果。

3D建模離不開三維制作軟件，常用的三維軟件有SolidWorks、Pro/E、UG、Creo和CATIA等，各個(gè)軟件都有自己的特點(diǎn)，有優(yōu)勢(shì)也有不足的地方。面對(duì)種類繁多、功能各異的三維軟件，應(yīng)用者要從適合自己產(chǎn)品特點(diǎn)和所要達(dá)到的目標(biāo)、技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)支持等多方面來(lái)考慮具體選擇何種軟件，我公司應(yīng)用于鍛造產(chǎn)品開發(fā)的三維軟件主要為UG和Creo。

技術(shù)應(yīng)用

本文介紹的全三維建模，是指借助三維軟件進(jìn)行的全工序三維立體設(shè)計(jì)的一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。這是行業(yè)發(fā)展的必然，在條件具備的情況下，是完全可以取代二維設(shè)計(jì)的。下面以Creo三維建模軟件為例對(duì)其應(yīng)用展開詳細(xì)地闡述。

在二維設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

鍛造產(chǎn)品基本上都是多工序的，包括制坯、模鍛、切邊、校正、精整等。采用全三維建模設(shè)計(jì)，每個(gè)工序都可以更直觀的進(jìn)行表述，如產(chǎn)品的形狀、鍛件的形狀、模具工裝的布局、不同角度的視圖關(guān)系等，在一些先進(jìn)企業(yè)，全三維建模設(shè)計(jì)已經(jīng)取代了二維設(shè)計(jì)。但目前行業(yè)里大部分鍛造企業(yè)還依賴于二維設(shè)計(jì)及二維圖紙。二維設(shè)計(jì)的局限性在于：一是對(duì)產(chǎn)品的表述不直觀，視覺(jué)效果不好；二是設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，需要表達(dá)的細(xì)節(jié)很多，工作量大且效率低。二維設(shè)計(jì)完成后，為滿足后期工裝的數(shù)控加工、成形模擬等，需要將二維圖紙轉(zhuǎn)換成三維數(shù)模，一旦圖紙上尺寸缺失或細(xì)節(jié)沒(méi)有表達(dá)，直接影響三維數(shù)模的建立。

全三維建模就是采用逆向思維，利用Creo軟件中制圖模塊，通過(guò)各工序的三維數(shù)模，產(chǎn)生任意視圖，視圖間可以保持正確的投影關(guān)系，在該模塊下，進(jìn)行尺寸標(biāo)注、圖框的設(shè)置、打印等。也可以直接轉(zhuǎn)化成CAD圖形，按照設(shè)計(jì)需要，進(jìn)行圖紙簡(jiǎn)化。借助全三維建模，不僅為二維設(shè)計(jì)出工程圖帶來(lái)很大方便，也提高了二維圖紙的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)效率。

在模具制造方面的應(yīng)用

一個(gè)產(chǎn)品開發(fā)成功與否，除工藝制定的合理性、設(shè)計(jì)圖紙的正確性要保證外，最終是要反饋在模具工裝上的。工裝加工的是否到位、是否正確，直接影響到鍛件的質(zhì)量。對(duì)于模具的加工，從毛坯到合格的模具，傳統(tǒng)的加工方法要經(jīng)過(guò)很多工序，常規(guī)的工序?yàn)檐嚒姟⑴佟⒛ァ@、鏜、鉸等，在這些工序的加工過(guò)程中，不可避免會(huì)出現(xiàn)一些加工誤差或錯(cuò)誤，工裝質(zhì)量不容易保證，且每一套工裝的加工，很難做到尺寸的一致性。隨著加工技術(shù)的發(fā)展，一臺(tái)加工中心即可以完成多工序甚至是全工序的加工。只要產(chǎn)品工藝定型，全三維建模后各工序的數(shù)模即為唯一，加工工裝時(shí)，通過(guò)各序相應(yīng)數(shù)模來(lái)編制程序，不管零件多復(fù)雜，均可以保證形狀和尺寸的一致性，縮短模具制造周期，降低模具生產(chǎn)成本。

在鍛造工藝制定方面的應(yīng)用

對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品，工藝制定、設(shè)備選擇、鍛打坯料、工裝布局等是影響產(chǎn)品開發(fā)成功與否的關(guān)鍵因素。在過(guò)去的生產(chǎn)中，均需要鍛打完成后，才能得到確切的驗(yàn)證，一旦出現(xiàn)比較嚴(yán)重的缺陷就會(huì)直接影響調(diào)試進(jìn)度。隨著DEFORM-3D動(dòng)態(tài)模擬軟件的應(yīng)用發(fā)展，相關(guān)缺陷均可以實(shí)現(xiàn)先期策劃，未雨綢繆，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

以三維數(shù)模為載體，借助DEFORM-3D軟件，通過(guò)坯料、各工裝模具的數(shù)模，模擬制坯、鍛打成形、切邊等工序金屬的變形過(guò)程，實(shí)時(shí)仿真模鍛成形過(guò)程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)變化，獲得溫度、速度、應(yīng)變、應(yīng)力等工藝參數(shù)，得到鍛件的缺陷分布，驗(yàn)證工裝設(shè)計(jì)的合理性，了解坯料的填充情況等，從而確定工藝方案的可行性。并針對(duì)模擬情況，及時(shí)調(diào)整坯料、模具結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝參數(shù)，來(lái)降低和消除鍛造缺陷的產(chǎn)生，從而降低開發(fā)成本。圖1為某個(gè)鏈輪產(chǎn)品鍛打成形的模擬狀態(tài)，通過(guò)模擬，發(fā)現(xiàn)齒形部位在成形時(shí)，易出現(xiàn)“八”字折紋，且折紋無(wú)法通過(guò)毛邊排出，針對(duì)模擬情況，優(yōu)化了中間毛坯的形狀，有效的改善了這一狀況。圖2為工藝優(yōu)化后的模擬狀態(tài)。

圖1 中間毛坯工藝優(yōu)化前齒形成形狀態(tài)模擬

圖2 中間毛坯工藝優(yōu)化后齒形成形狀態(tài)模擬

在模具裝配方面的應(yīng)用

產(chǎn)品的開發(fā)涉及多工序，每一工序工裝裝配時(shí)存在配合、制約關(guān)系，但從二維圖紙上，不容易暴露出來(lái)。利用全三維建模，借助Creo軟件中的裝配模塊，各工序可以方便快捷的進(jìn)行裝配，干涉問(wèn)題能夠清楚的表現(xiàn)出來(lái)，從而保證二維圖紙和數(shù)模的正確性。圖3為型腔裝配情況，圖4為沖頭與熱鍛件裝配后的局部視圖，型腔是否干涉，是否做到位，沖頭、熱鍛件軸向是否有避讓間隙，從裝配關(guān)系上一目了然。

圖3 模具型腔裝配

圖4 沖頭與熱鍛件的裝配

以曲軸為例的全三維建模方法和技巧

曲軸產(chǎn)品是發(fā)動(dòng)機(jī)中承載最復(fù)雜、最重要的部件之一。我公司開發(fā)的曲軸形狀各異、品種多樣，有鍛重在270kg左右的單缸曲軸，也有鍛重在345kg左右的八缸曲軸，還有最常見的六缸曲軸。模鍛成形工藝分為錘上鍛打和壓力機(jī)上成形。壓力機(jī)上成形時(shí)，對(duì)于立體分模的產(chǎn)品，工藝一般為輥鍛→坯料壓扁→預(yù)鍛成形→終鍛成形→切邊→熱校正，對(duì)于平面分模的產(chǎn)品，切邊后還需要增加扭曲工序。由于Creo軟件命令多，曲軸的具體做法也并不完全統(tǒng)一，本文以在壓力機(jī)成形的常見的立體六缸曲軸為例介紹其全三維建模的設(shè)計(jì)理念和方法。

建模前的準(zhǔn)備工作

建模前的準(zhǔn)備工作主要包含以下幾個(gè)步驟：⑴工作目錄的設(shè)置；⑵數(shù)模的命名；⑶理解產(chǎn)品形狀，明確建模思路；⑷建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系。

建模方法

以冷鍛件為例，先進(jìn)行產(chǎn)品的三維建模，數(shù)模完成后，根據(jù)對(duì)產(chǎn)品的工藝分析，確定鍛造工藝流程、產(chǎn)品的分模方式及分模面、加工余量、拔模角、工藝補(bǔ)充等，借助軟件中的拉伸、偏移、旋轉(zhuǎn)、鏡像、拔模、倒圓角等相關(guān)命令，完成鍛件冷尺寸的三維設(shè)計(jì)。圖5所示為冷鍛件數(shù)模。

圖5 冷鍛件數(shù)模

各工序及工裝

⑴輥鍛模。冷鍛件完成后，可以計(jì)算各個(gè)區(qū)域的用料情況，分配金屬體積，達(dá)到聚料、分料的目的。曲軸多為制坯輥鍛，形狀簡(jiǎn)單，道次少，一般為兩道，數(shù)模相對(duì)簡(jiǎn)單。如圖6所示。

圖6 輥鍛數(shù)模

⑵壓扁模。壓扁的數(shù)模比較簡(jiǎn)單，根據(jù)計(jì)算的壓扁量，通過(guò)簡(jiǎn)單的拉伸、倒圓角就可以完成。

⑶終鍛模。根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)，確定熱收縮系數(shù)，Croe軟件中可以進(jìn)行收縮系數(shù)的設(shè)定，依據(jù)冷鍛件的數(shù)模，選用適用的系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，完成終鍛熱鍛件數(shù)模。終鍛模下模數(shù)模如圖7所示。

圖7 終鍛模下模數(shù)模

⑷預(yù)鍛模。預(yù)鍛熱鍛件數(shù)模的設(shè)計(jì)依據(jù)終鍛熱鍛件數(shù)模，一般情況下，為使預(yù)鍛件易于放進(jìn)終鍛模膛，預(yù)鍛寬度方向尺寸要比終鍛小，深度相等或略小。由于預(yù)鍛要分料和初步成形，所受到的鍛打力一般比終鍛要大，模具型腔的細(xì)節(jié)處理要比終鍛的繁瑣。圖8為預(yù)鍛模下模數(shù)模。

圖8 預(yù)鍛模下模數(shù)模

⑸切邊模。切邊模中數(shù)模比較復(fù)雜的是沖頭和凹模，沖頭型腔的形狀與終鍛熱鍛件數(shù)模基本一致，區(qū)別在于為避免切邊時(shí)壓傷鍛件，軸向方向要做出間隙讓開，同時(shí)也要做出熱鍛件上凸字標(biāo)識(shí)的字頭空開槽等；輪廓方向與凹模要有一定的間隙，沖頭的數(shù)模不需要單獨(dú)重做，依靠軟件的各種編輯功能，將熱鍛件修改即可。凹模需要抽取熱鍛件在分模面上的最大輪廓作為切邊刃口，根據(jù)工藝需要，也可以將刃口部分進(jìn)行編輯修改。圖9為為凹模和沖頭的局部數(shù)模。

圖9 凹模及沖頭

⑹熱校正模。熱校正模主要用來(lái)校正鍛件厚度，消除切邊變形，其型腔與熱鍛件基本一致，區(qū)別在于：為防止擠壓鍛件，造成鍛件二次變形，型槽同沖頭一樣做出軸向間隙，連桿頸、主軸頸等圓形截面做出側(cè)向讓開。圖10所示為熱校正模下模局部工裝數(shù)模及側(cè)向讓開。

圖10 熱校正模下模局部工裝數(shù)模及側(cè)向讓開

建模技巧

⑴建模過(guò)程中要減少各個(gè)特征“父子”關(guān)系的存在，即：下一個(gè)特征的建模基準(zhǔn)盡量不要建在前一個(gè)特征上。

⑵虛實(shí)結(jié)合，即實(shí)體與曲面相結(jié)合，避免形狀互相干涉，使特征更容易生成。

⑶移除命令的運(yùn)用。在建模過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到形狀缺料、多料等情況，運(yùn)用移除命令，可以快速的處理缺料、多料、圓角、側(cè)壁、特征交疊形成的交叉面等細(xì)節(jié)，提高工作效率。如圖11中綠色部分為圓角的形狀，利用移除命令后，圓角變?yōu)榧饨牵幚砬羞吥_頭數(shù)模細(xì)節(jié)時(shí)，運(yùn)用該命令，可以達(dá)到事半功倍的效果。

圖11 圓角的處理

⑷選擇性粘貼命令的運(yùn)用。操作：復(fù)制/選擇性粘貼，該命令具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可以實(shí)現(xiàn)任何一個(gè)模型的平移、旋轉(zhuǎn)。對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品，具有共性或有局部差異的形狀，均可以運(yùn)用該命令，進(jìn)行平移或者旋轉(zhuǎn)，然后再將不同的形狀做出，節(jié)省建模時(shí)間。圖12為運(yùn)用該命令進(jìn)行的模型兩個(gè)方向的平移。

圖12 兩個(gè)方向的平移

⑸善于運(yùn)用快捷鍵。在建模過(guò)程中，善于運(yùn)用快捷鍵可以簡(jiǎn)化操作，提高操作效率。

結(jié)束語(yǔ)

全三維建模是機(jī)械行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，也是必然，是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。更需要設(shè)計(jì)人員細(xì)心負(fù)責(zé)的態(tài)度，減少建模過(guò)程中的錯(cuò)誤率，熟練運(yùn)用各個(gè)常用命令，總結(jié)建模過(guò)程中好的、快捷的處理方法，不僅能夠有效的提高工作效率，也能進(jìn)一步提升自身技能，為其他產(chǎn)品的三維建模提供指導(dǎo)。

作者簡(jiǎn)介

孫海霞，技術(shù)部技術(shù)員，工程師，主要從事鍛造產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)開發(fā)、三維建模等工作。

——本文節(jié)選自《鍛造與沖壓》2019年第1期。